Ursachenanalyse zur Bildung von Kondensatansammlungen in den Labyrinthen von Stufenabdichtungen in einer Industriedampfturbine

Abstract

An einer Industriedampfturbine traten bereits kurz nach der Inbetriebnahme unerklärliche Wellenschwingungen auf. Diese Wellenschwingungen zeigten sich vor allem bei erhöhten Außentemperaturen und steigendem Abdampfdruck. Nach umfangreichen Schwingungsmessungen und -analysen wurde die Hypothese aufgestellt, dass eine sich in den Abdichtungen einer Turbinenstufe umlaufend bildende Kondensatansammlung als zusätzliches Lager auf den Rotor wirkt, dessen Eigenfrequenzen verschiebt und zu einer Schwingungsanregung führt. Der Ort der Kondensatansammlung wurde im Hochdruck-Bereich der Turbine vermutet, da dort zwar der Nässegehalt der Dampfströmung noch sehr gering ist und deshalb auch keine Entwässerungsbohrungen vorgesehen sind, aber es aufgrund unerwarteter Kondensationsmechanismen trotzdem zur Ausbildung von Kondensat kommen kann.<br />Um eine thermodynamische Erklärung für das Entstehen einer Kondensatansammlung zu finden, wird durch die vorliegende Arbeit ein analytisches Wärmeübertragungsmodell vorgestellt, welches den Wärmeaustausch innerhalb von Turbinenstufen berücksichtigen kann. Dieses Wärmeübertragungsmodell ermittelt gitterweise, die in den einzelnen Leit- und Laufgittern auftretenden Wärmeströme, wobei speziell für die Wärmeleitung über die in den Leitschaufelträgern eingebundenen Leitschaufeln ein eigenes Modell entwickelt wurde. Aufgrund der unbekannten Oberflächentemperaturen in den Turbinenstufen kommt auch der Ermittlung von Wärmeübergangszahlen in dieser Arbeit eine besondere Rolle zu.<br />Durch das Wärmeübertragungsmodell kann gezeigt werden, dass zwar die auftretenden Wärmeströme nicht in jener Größenordnung liegen, um der Dampfströmung wesentlich Wärme zu entziehen und somit den Nässegehalt der Dampfströmung zu erhöhen. Jedoch werden durch die auftretenden Wärmeströme die Seitenwand- und Leitschaufeltemperaturen einzelner Leitgitter und die Temperaturen in den Abdichtungen einzelner Laufgitter soweit verringert, dass bei Unterschreiten der Sättigungstemperatur Kondensation auftritt und es in der Folge zur Bildung von Kondensat kommt, welches sich durch das Fehlen von Entwässerungsbohrungen in den Abdichtungen der Laufgitter ansammeln kann.

Unexplainable rotor oscillations occured at an industrial steam turbine with an air condenser shortly after the startup of the plant.<br />These oscillations led to immediate shutdowns and were observed especially at rising ambient temperature and concurrent rising exhaust pressure. After different oscillation measurements and analysis a hypothesis was developed to explain the oscillation phenomena: The reason of the oscillations is an aggregation of condensate in a labyrinth seal of a turbine stage which works like an additional bearing and shifts the eigenfrequencies of the complete system.<br />The location of the aggregation was assumpted to be in the high-pressure section of the turbine. Because of the high vapour fractions in this section, there aren`t any holes for water separation provided. Hence, in the case of unexpected condensation mechanism, an aggregation of condensate will be favoured.<br />This work presents an analytical heat transfer model for explaining how condensation can occur in the high-pressure section of a steam turbine.<br />With this model it is possible to take into account the heat exchange in single turbine stages. The occurent heat fluxes are calculated row by row in the single stator and rotor rows. Especially a new approach for considering the heat fluxes because of heat conduction between guide vanes and there guide vane carrier is presented. Due to the absence of measured surface temperatures the estimation of heat transfer coefficients plays a major part in this work.<br />The developed heat transfer model can show, though the heat fluxes aren`t big enough to decrease the enthalpy of the steam and lead to lower vapour fractions, that condensation occurs because of surface temperatures below the saturation temperature in single turbine stages due to radial heat fluxes over the guide vane carriers. This mechanism causes condensation on the surfaces of the guide vanes, the endwalls and in the labyrinth seals of rotor rows in the high-pressure section of a steam turbine.